本书将带您深入了解这些非比寻常的新望远镜，欣赏业已成为现代天文学之标志的精彩图片。通过将您的视野从可见光扩展到整个光谱的所有“色彩”，您将可以得到比以往所知更为全面的宇宙形象。这些图像对任何人而言都是值得珍视的。利用政府和公众机构在全球范围建造的各种观测设备取得的观测资料，使我们可以更好地理解我们在浩瀚宇宙中所处的位置。这个宇宙曾经隐藏在人们的视野之外，但现在它已经敞开在您的面前。

很长时间里，天文学都是一门可见的科学。数千年来，人们都只用他们的双眼来观察和记录星光。400年前，伽俐略首次他的望远镜指向天空，扩展了我们观察和研究宇宙的能力。此后350年，这个神奇观察设备的潜力还仅仅受限于电磁波谱中我们的眼睛所能感知的一小片段。直到最近的50年，我们拥有了一系列技术的进步，使我们能够深入探索隐秘的宇宙世界：射电辐射、红外辐射、紫外辐射、X射线辐射……

一层又一层，有如剥开的洋葱头，暴露在我们眼前的是一个与我们以往所思考、所了解可见光世界完全不同的另一番天地。本书将为你的知觉扩展到整个光谱的所有波段，它必将改变你的宇宙观。

本书充满了插图，有些是精选的宇宙美图，有些则是作者自己制作出来的。

Boxes and图解使你更容易理解图中涉及的物理过程、拍摄用的望远镜，以及有关的科学背景。

本书代表了科学和科学传播方面的最高水平。

序

前言

第一章 光和视觉

第二章 地面天文观测

第三章 空间天文观测

第四章 可见光宇宙

第五章 红外宇宙

第六章 紫外宇宙

第七章 射电及微波宇宙

第八章 X射线和高能宇宙

第九章 多波段的宇宙

补充说明

作者简介

术语解释

英汉名词对照

“每一个新生儿都是30亿年以来自然界进化的成果，同时也是被称作‘人’的有机个体与宇宙之间相互联系的呈现。”

当新生的婴儿第一次睁开双眼，他就会发现自己沐浴在光的世界中。每一个新生儿都是30亿年以来自然界进化的成果，同时也是被称作“人”的有机个体与宇宙之间相互联系的呈现。我们的肉眼是与生俱来的生物探测器，经过优势进化后形成了能有效获取来自那颗距离我们最近的恒星——太阳——所发出光线的形态。我们的眼睛刚好能够清晰地分辨太阳光中最明亮的色彩，这绝非凑巧。这一事实使我们领略到了生物机能之美，同时也提醒我们，如果人类居住在以另一种方式闪烁的恒星附近，我们很可能会根据在那样的环境下进化出的眼睛所见到的状况去重新定义何为“可见光”。

人类认识颜色的历史

我们的肉眼是怎样看见色彩的？色彩的谱系又是怎样形成的？我们的肉眼是一种生物学光探测器，光信号经过视神经后，我们的大脑就会产生出相应的影像。人眼拥有3种不同的色敏细胞，能让我们分辨出3种最基本的色彩：红色、绿色和蓝色。这三种基本色相互调和之后就形成了我们所看到的完整谱系，从淡粉色一直到浓重而鲜艳的各种色彩。

其他色彩与三原色有着怎样的关系呢？答案就在于调和比例的多少。两种比例相同的原色调和在一起后就可以形成次级色。红色与绿色能调和出黄色；绿色与蓝色生成青色；而将蓝色和红色调和则是品红。其他的色调像青绿、橙红或者紫色，则是由三种原色以不同的比例调和而出。如果三种原色以完全相同的比例调和在一起，就将生成白色。黑色则是缺乏任何色彩的结果。这样一种色彩混合方式称为“加色混合”，它们反映的就是人眼在看到这些不同颜色光线混合在一起后所感知的结果。

“任何一幅色彩丰富的画面都可以被我们分解成分别以红、绿、蓝为主色调的单色画面。”

这些直观的色彩组合使我们可以方便地利用数字技术记录和表达出一个完整的色彩系统。任何一幅色彩丰富的画面都可以被我们分解成分别以红、绿、蓝为主色调的单色画面。我们平时使用的电视机和电脑的显示器都是使用红、绿、蓝的单色画面进行合成，从而显示出色彩丰富的画面。同样地，在印刷领域，通过将红、绿、蓝三色墨水以一种合适的比例调和后打印出来的画面也将以一种色彩丰富的印刷品形式映入我们的眼帘。

需要指出的是，这些对色彩的解释都是人对自然界的真实感知。我们的三色识别系统是自然进化的结果，但也并非肉眼可能进化成的唯一结果。其他动物也可能进化成根本没有色彩识别能力或是能够感知光谱的其他部分。如果我们拥有更多可以感知另一种颜色信号的器官，那么接收到的信息会更加复杂，比如形成一个四维颜色的序列，那就很难在本书中描绘出来了。

光是什么？

对色彩的理解，可以帮助我们更好地了解人类对光的感知过程。然而一个更基本的问题仍然没有解决，那就是：光究竟是什么？

贯穿整个科学史，对于光之本性的争论从未停歇。17世纪末，惠更斯(Christiaan Huygens)提出光具有波动性。然而，一直到18世纪初，牛顿(Isaac Newton)关于光具有粒子性的理论始终在学术界占据统治性的地位。

19世纪初，杨(Thomas Young)和菲涅尔(Augustin-Jean Fresnel)进行了光的双缝干涉实验。实验过程中光的干涉和水波的干涉行为所呈现出的图形十分相似，毋庸置疑地显示了光的波动特性。看来谜底即将揭晓。

但是，如果光是一种波的话，它又是哪种形式的波呢？19世纪稍晚的时期，麦克斯韦(James Clerk Maxwell)建立了革命性的电磁方程组，揭示出电和磁是同一种现象的不同表现形式。光是由交互作用的电场和磁场共同组成的。

所以，光被认为是一种电磁波。两个连续波峰之间的距离被称为波长，波长决定了光的颜色。波长越短就越是偏于蓝色，波长越长则越偏红。

正当所有人都认为光毫无疑问是电磁波时，一些能证明光具有粒子性的现象和依据却又再次出现了。20世纪初叶，爱因斯坦(Albert Einstein)利用光同时具有波动性和粒子性的概念解释了诸如光电效应等难以理解的实验结果(光电效应如今已成为太阳能电池工作的基本原理)。这个奇异的解释，就是我们今天熟知的“光的波粒二象性”。这个原理已成为当代量子力学的立身之本，也为爱因斯坦赢得了1921年的诺贝尔物理奖。以往当我们学习光学的时候，总是将光的波动性和粒子性孤立起来，现在则应该牢记一点：波粒二象性中的任何一种特性都是光与生俱来的属性的一部分。

现代科学将光这种特别的电磁波理解成一种类似于粒子的波包，并给予它一个新的称谓：光子。每个光子都携带一定的能量。光子的波长和它所携带的能量密切相关：短波的蓝光携带较多的能量；长波的红光则携带较少的能量。能量和波长这两个名词经常可以替换使用，因为它们之间保持确定的反比关系。

另外一个与光之本性有关的重要事实是：不管波长多少，真空中所有的光都以相同的速度传播。它的速度是如此之快，接近每秒30万千米。事实上，光速就是终极速度，宇宙中没有任何物质能够超越它。

然而即便如此，以光速的尺度去衡量宇宙的话，宇宙的大小依然是异常巨大。太阳发出的光要经过8分钟才能照耀到我们；除太阳之外离我们最近恒星的光要历经4年才能到达地球。对于天文学家而言，使用光年，也就是光行走一年所经过的路程来丈量宇宙距离简直就是一种家常便饭。

“科学家们通常把电磁光谱划分为七个区域：无线电波，微波，红外线，可见光，紫外线，X射线和伽马射线。”

电磁波谱

通常来说，我们提到光谱的概念，立刻会在脑海中浮现出一幅从紫色到红色的图景。但是肉眼所能看到的颜色，其实只占到整个电磁波谱中极小的一部分。全波段的光谱包含了多种日常生活中无法看见的波段，但是它们确实是实际存在着的光，只不过拥有和可见光不同的波段。科学家们通常把电磁光谱划分为7个区域：无线电波，微波，红外线，可见光，紫外线，X射线和伽马射线。这样的划分只是为了使用的方便，尽管每个波段应用的技术手段与这样的划分的确存在一定的关联，但这种划分却并非物理学上的严格定义。自然界原本存在的电磁波谱是连续的，并无绝对的分界，只是为了应用的方便，人们才习惯于将它们划分成不同的部分并给予分别命名。

光子的波长决定了它所携带的能量，也决定了它将落入光谱的哪个区域。光谱上波长分布的范围之广超乎想象——从原则上讲，它是没有上下限的，也是连续的——然而我们通常将它表示成从无线电波(波长数百米)到伽马射线(波长万亿分之一米，即1皮米)。这样可以更方便地为光谱上不同区域的光定义单位名称。在这本书中，我们将使用以下的单位：

·厘米，即百分之一米：常用于射电波段

·毫米，即干分之一米：常用于微波波段

·微米，百万分之一米：常用于红外线波段

·纳米，十亿分之一米：常用于X射线、紫外线和可见光

·微微米(皮米)，万亿分之一米：常用于X射线和伽马射线

无线电波是光谱里携带能量最少的电磁波，但却拥有最长的波长。虽然无法定义最长波长的射电波，但从技术上讲，探测比1千米还长的射电波已没有多大意义。无线电波主要被用于广播通信，也正因此，对我们探测遥远星空中暗弱的天然无线电信号源构成了很大的挑战。

(译注：无线电波在天文学中通常称为射电波，以下开始沿用此名称。)

微波同样被应用于通信，包括移动电话。微波通常又可细分为毫米波和亚毫米波，分别对应于天文学上不同的探测技术。微波也因为被广泛应用于微波炉而被我们所了解。这个应用成果来源于微波辐射能被水分子充分吸收，正因如此，如果我们想在地面上接收来自宇宙空间的微波信号，也需要充分考虑这个特性。

红外线位于可见光和微波之间。红外线通常被理解为“热辐射”，因为任何温暖的物体都能辐射出我们所能感知的红外辐射。

可见光构成了光谱上肉眼所能看见的一部分，尽管它在日常生活中最为人们所熟知，却是光谱中最窄的一块区域，

紫外线起始于光谱上的蓝光。在地球上，它因为日光晒黑效应而被人们所熟知。

X射线的能量如此之高，它超越了紫外波段。X射线中的光子能携带足够多的能量从而穿透非常多的物质。这个特性使得拍摄X射线照片成为探究人和动物内部构造的有效手段。

伽马射线位于光谱上波长最短的一边。每个光子所携带的能量如此之大，以至于它具有毁灭性的效果。伽马射线能扰乱电路，甚至破坏DNA，大量的伽马射线能将生命体杀死。宇宙中只有极大质量的天体才会产生伽马射线。

“我们如何来表现那些不可见光的图像呢？”

描绘不可见光的影像

当我们浏览一本画册的时候，我们所看见的颜色总是真实存在的。我们看到的总是湛蓝的天空，绿油油的树叶。我们肉眼所看见的红色、绿色和蓝色的组合与我们用印刷品或者在屏幕上表达它们的样子是一一对应的。这个过程可以被描述为“自然色”，因为它就是我们的肉眼根据实际所见而描述出来的真实色彩。

但是，我们刚刚已经明白，宇宙之光已被远远地扩展到可见光区域之外大得多的范围。颜色被提升到了一个全新的概念领域，它将包含光谱上我们肉眼看不见，但是通过一定的技术手段能够探测到的区域。那么，我们如何来表现那些不可见光的图像呢？

由于我们的肉眼只能看见红、绿和蓝三种基本颜色，因而这也将是当我们将不可见光部分转化成图像时唯一的选择。我们可以选取光谱上任何一个波段的影像，将它们通过红、绿、蓝的颜色表现出来，其结果就是原本单凭我们肉眼根本看不见的一些东西着色后被生动地展示出来了。

“对于天文学家而言，多波段字宙空间中的色调多到无法想象。”

在这些画面中，我们所看见的红色、绿色和蓝色不再是我们平时肉眼所直接看见的颜色，而是一种用“代表色”来表达广义光谱上的各种颜色。过去，我们曾经称这样的处理手段为“伪彩色”，但是这个名称有所误导。“伪”这个词从某种意义上给了我们一种暗示，好像这个色彩是“假的”，就像画家用颜料给黑白照片上色一样。但是，“代表色”影像其实是依据不可见波段的真实情况，再采用肉眼对可见光的观察方法进行调整后呈现出来的。

对于天文学家而言，多波段宇宙空间中的色调多到无法想象，好比一个巨大的调色盘。红色、绿色和蓝色在拍摄不同的物体时所代表的意义完全不同，由此，它们可以将完整的光谱图片带给我们。同时，也将别具一格的美轮美奂带给我们欣赏。

如果暂时将“那些色彩究竟代表什么内涵”的问题抛在一边，我们将会从这些图片中获得更大的愉悦。这本书中许多图片都是“代表色”的，附带有明确的色谱解释，我们就能明白哪些颜色在各自的画面中分别代表哪些波段。遵循这样的规律，就能让颜色成为我们的向导。因此，这里的颜色不仅仅具有审美上的意义，也将具有丰富的科学含义。我们将超越生理进化的局限，去探知那些原本可能永远隐秘的宇宙。

P10-18

直到400年前，伽利略首次将他的望远镜指向天空，我们才摆脱了仅仅使用肉限去认识宇宙的状态。而在此之前，我们的所思、所想，都源于裸眼所见。哪怕是伽利略望远镜这样一个简单的仪器，也是人类历史上一次巨大的飞跃，因为正是它为人类铺就了一条建造更多更强大观测设备的道路，我们对知识无止境的渴望也从此可以不断地得到满足。

然而，一直到20世纪中叶，虽然望远镜的尺寸已经越来越大，人们对宇宙的了解却仍然局限于能够穿透大气并且对我们的肉眼或照相底片敏感的狭窄波段之中。即使是通过这些有限的资源，我们的发现也已经足够惊人：太阳系的全面形象，恒星发光的原因及其寿命，银河系之外难以计数的其他星系，以及宇宙正在膨胀的事实。20世纪前期物理学的革命使我们了解到光的本质，并可以从中了解到它所携带的恒星和星云中化学组成及物理状态的信息。

雷达技术在被应用于军事用途后获得了巨大的发展。在其影响之下，射电天文学的发展第一次打开了我们的新视野，使我们了解到使用另一双“眼睛”来看宇宙时，我们所熟知的宇宙会呈现出另外一种完全不同的形态。

1957年发射的史波尼克卫星为天文学观测摆脱大气吸收和扰动的影响铺平了道路。面对真正清澈的天空，一代又一代空间探测器和空间天文台为我们带来了无与伦比的宇宙新图像。由这些空基天文探测器和天文台组成的“航母舰队”带来了成串的新发现，为天文学家理解这个宇宙提供了无数新的启示，而日益发展壮大的地基望远镜也带来了大量令人印象深刻的新进展。

本书将带您深入了解这些非比寻常的新望远镜，欣赏业已成为现代天文学之标志的精彩图片。通过将您的视野从可见光扩展到整个光谱的所有“色彩”，您将可以得到比以往所知更为全面的宇宙形象。这些图像对任何人而言都是值得珍视的。利用政府和公众机构在全球范围建造的各种观测设备取得的观测资料，使我们可以更好地理解我们在浩瀚宇宙中所处的位置。这个宇宙曾经隐藏在人们的视野之外，但现在它已经敞开在您的面前。

关于本书

本书分为9个章节，分别介绍了“不可见”宇宙的方方面面。前面3个章节主要介绍我们用以感知这个宇宙的方式，包括眼睛、地面望远镜和空间望远镜。随后的5个章节分别介绍5个波段的观测方式，首先是最为熟悉的可见光，然后扩展到越来越不熟悉的波段：红外、紫外、射电/微波，以及X射线和伽马射线。在最后一章，我们试图将每个单独波段的影像组合成一个综合的形象，展现出一个多波段宇宙的全貌。

当我们开始本书的写作任务时，我们就像是步入了一个陌生的地域。要与这些日常生活很不熟悉的现象打交道颇为不易。我们不得不使用一些重要的物理学术语，诸如“光谱”、“黑体辐射”等，但我们力图将这些术语的使用减到最少，而且会在本书附录中对那些不熟悉的术语进行解释。

致谢

我们必须感谢那些辛勤工作于各地天文台和科学传播机构的同事们。本书许多令人目瞪口呆的图片都出自这些天文学家和图形制作人员的精心创作。我们需要特别感谢Megan Watzke和Kimberly Kowal Arcand领导的钱德拉空间望远镜团队和Gordon Squires领导的斯必泽空间望远镜团队，他们将X射线及红外影像与其他波段影像所做的比对工作为揭开这个隐秘宇宙的的面纱做出了重要的贡献。我们还要感谢Anne Rhodes、Laura Simurda和Chris Lawton，他们为本书的编辑提供了重要的帮助。

拉尔斯·林伯格·克里斯滕森(LarS Lindberg Christensen)

罗伯特·福斯贝利(Robert Fosbury)

罗伯特·赫尔特(Robezt Hurt)

2008年7月9日于慕尼黑